電感式傳感：線(xiàn)性位置傳感（第 2 部分）

在上篇博客文章《電感式傳感：線(xiàn)性位置傳感(第 1 部分)》中，我介紹了如何使用三角目標(biāo)和螺旋線(xiàn)圈實(shí)施線(xiàn)性位置傳感器。盡管使用這種方法可實(shí)現(xiàn)良好的分辨率，但需要測(cè)量一個(gè)比移動(dòng)距離長(zhǎng)的目標(biāo)。在適合這種方法的目標(biāo)尺寸被禁止的情況下，您可使用不規(guī)則線(xiàn)圈和較小目標(biāo)代替。

對(duì)于目標(biāo)必須是小尺寸的情況，我設(shè)計(jì)了一個(gè)右側(cè)線(xiàn)圈環(huán)路間距大于左側(cè)線(xiàn)圈環(huán)路間距的矩形線(xiàn)圈(如圖 1 所示)。該線(xiàn)圈能產(chǎn)生不均勻磁場(chǎng)，其可通過(guò)獲獎(jiǎng)的 LDC1000 等電感至數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (LDC)，用于實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性位置傳感。

圖 1：可產(chǎn)生不均勻磁場(chǎng)的 PCB 線(xiàn)圈 —來(lái)自 PCB 布局工具的圖片可清楚顯示

線(xiàn)圈是 2 層 PCB，跡線(xiàn)寬度和間距為 5 密爾(0.127 毫米)。它每層有 23 匝，尺寸為 100x12.5 毫米。在左側(cè)，每個(gè)環(huán)路的間距是 5 密爾(0.127 毫米)。在右側(cè)，我添加了一個(gè)環(huán)路，步進(jìn)為 4 毫米。

結(jié)果怎樣?傳感器線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在中心環(huán)路附近最強(qiáng)，并沿線(xiàn)圈右側(cè)方向衰減。

我的目標(biāo)是 24 毫米寬的鋁片。盡管與較窄的目標(biāo)相比，較寬的目標(biāo)占用更多空間并會(huì)限制總體可用移動(dòng)范圍，但它們可產(chǎn)生較大的電感變化，并提供出色的分辨率。

對(duì)于評(píng)估，我將目標(biāo)放在從線(xiàn)圈到 PCB 線(xiàn)圈 4 毫米遠(yuǎn)的位置。使目標(biāo)靠近線(xiàn)圈，能從線(xiàn)圈中心到右側(cè)邊緣產(chǎn)生較大的電感變化。與三角形目標(biāo)實(shí)驗(yàn)類(lèi)似，我將目標(biāo)從位置 0(線(xiàn)圈左側(cè))以 0.5 毫米的步進(jìn)移動(dòng)到位置 100(線(xiàn)圈右側(cè))。圖 2 是測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖 2：線(xiàn)性滑塊位置與所測(cè)量的電感

該數(shù)據(jù)顯示，不應(yīng)將前 5 毫米用于絕對(duì)位置傳感應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兇砭€(xiàn)圈中心左側(cè)的區(qū)域，在該區(qū)域磁場(chǎng)線(xiàn)密度低于中心部位。在移動(dòng)范圍的最后 10 毫米處，磁場(chǎng)強(qiáng)度非常低，因此傳感精度降低。

我沿移動(dòng)范圍剩余 85 毫米收集的數(shù)據(jù)樣本是單調(diào)的，可用來(lái)準(zhǔn)確確定金屬目標(biāo)的位置。在該移動(dòng)范圍內(nèi)，電感從 73.1μH 增加到 84.9μH。

有兩種線(xiàn)性化輸出的方法。一種方法是以非線(xiàn)性方式將線(xiàn)圈環(huán)路與線(xiàn)圈中心右側(cè)分開(kāi)，這樣它們可在所需目標(biāo)距離位置，采用所選目標(biāo)產(chǎn)生線(xiàn)性輸出。然而，在軟件中對(duì)數(shù)據(jù)輸出進(jìn)行線(xiàn)性化通常是比較便捷的方法。

電感式傳感是一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)精確非接觸式線(xiàn)性位置傳感的強(qiáng)大技術(shù)。在這兩篇博客中，我分別介紹了使用成形目標(biāo)和不對(duì)稱(chēng)線(xiàn)圈設(shè)計(jì)此類(lèi)系統(tǒng)的方法。